1.21: Proyecto BioFuel
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- Convertir la biomasa de celulosa en biocombustible utilizable.
Resultados de aprendizaje de los estudiantes
- Predicciones de prueba sobre cómo variables como el tipo de biomasa o la molienda afectan la conversión en azúcares y etanol.
- Rastrear la transformación de celulosa en glucosa y luego etanol.
- Inferir la acción de las enzimas celulasas sobre la celulosa a base de lecturas de azúcar.
- Mida la conversión de azúcares a etanol usando sensores de etanol.
- Utilizar lecturas de azúcar y etanol para evaluar predicciones iniciales y sacar conclusiones sobre los efectos de las variables de tratamiento.
Introducción
La biomasa es cualquier material orgánico que proviene de organismos, como las plantas. La biomasa vegetal contiene energía que puede ser utilizada como alimento o combustible dependiendo de qué parte de la planta se utilice. La biomasa celulósica es la parte de la planta que la mayoría de la gente no puede digerir como pasto fibroso duro o leñoso, hojas, tallos, flores, tallos de maíz, madera o productos de papel. Si bien la biomasa celulósica no puede ser utilizada como alimento, contiene una gran cantidad de energía que puede ser utilizada como combustible para el transporte. La biomasa celulósica, también conocida como celulosa, es el componente principal de las paredes celulares de la planta. Sin celulosa, las plantas no podrían pararse erguidas. La celulosa es una de las moléculas más abundantes en la Tierra y representa un enorme potencial de energía renovable si podemos encontrar una manera de convertirla fácilmente en combustible para el transporte.
En este laboratorio, investigará el desafío de convertir la biomasa celulósica en etanol. Utilizarás algunas de las mismas estrategias utilizadas por científicos e ingenieros en empresas biotecnológicas. El proceso implica tres pasos clave: Pretratamiento, hidrólisis (digestión enzimática) y fermentación.
Descripción general de tuberías de biocombustible
El proceso que se describe a continuación proporciona una visión general de los pasos y describe los cambios químicos que ocurren a medida que la biomasa celulósica se convierte en azúcar y luego etanol. A esto lo llamamos un “ducto de producción de biocombustibles” porque los productos generados a partir de un paso se utilizan en el siguiente paso hasta que se produce etanol.
En la etapa de pretratamiento, el objetivo es aflojar la estructura de la pared celular para que la celulosa quede expuesta. Las paredes celulares vegetales están compuestas por tres componentes primarios: celulosa, hemicelulosa y lignina. Estas moléculas deben separarse para que las enzimas puedan llegar a la celulosa. El calentamiento y la molienda son métodos efectivos de pretratamiento.
La celulosa en realidad está compuesta por cadenas largas (polímeros) de moléculas de glucosa. En la etapa de hidrólisis, el objetivo es descomponer las moléculas largas de celulosa en moléculas de glucosa individuales. Enzimas especiales llamadas celulasas son capaces de cortar las hebras de celulosa en glucosa. La glucosa es un azúcar simple que puede ser utilizado como alimento por muchos organismos.
En el paso final de la tubería, se agrega levadura a la mezcla de biomasa enzimáticamente digerida. Sin oxígeno, la levadura consume la glucosa y produce etanol a través de un proceso llamado fermentación. La levadura utilizada en este proceso son los mismos organismos unicelulares utilizados para hornear pan o elaborar cerveza.
El proceso que se describe a continuación proporciona una visión general de los pasos y describe los cambios químicos que ocurren a medida que la biomasa celulósica se convierte en azúcar y luego etanol. A esto lo llamamos un “ducto de producción de biocombustibles” porque los productos generados a partir de un paso se utilizan en el siguiente paso hasta que se produce etanol.
En la etapa de pretratamiento, el objetivo es aflojar la estructura de la pared celular para que la celulosa quede expuesta. Las paredes celulares vegetales están compuestas por tres componentes primarios: celulosa, hemicelulosa y lignina. Estas moléculas deben separarse para que las enzimas puedan llegar a la celulosa. El calentamiento y la molienda son métodos efectivos de pretratamiento.
La celulosa en realidad está compuesta por cadenas largas (polímeros) de moléculas de glucosa. En la etapa de hidrólisis, el objetivo es descomponer las moléculas largas de celulosa en moléculas de glucosa individuales. Enzimas especiales llamadas celulasas son capaces de cortar las hebras de celulosa en glucosa. La glucosa es un azúcar simple que puede ser utilizado como alimento por muchos organismos.
En esta investigación, usted y su equipo de investigación seleccionarán una muestra de biomasa celulósica para convertirla primero en azúcares, y luego en etanol a través del proceso descrito anteriormente. Seguirá el proceso de conversión midiendo los niveles de azúcar (glucosa) y etanol en etapas clave. Los datos que tú y tus compañeros recopilen te ayudarán a determinar qué fuentes de biomasa y métodos de pretratamiento son más efectivos para producir azúcares y etanol y a desarrollar explicaciones de por qué algunas muestras producen más azúcar y etanol que otras.
Parte 1: Trabajo Prelab
Antes del Laboratorio
El objetivo de este laboratorio es convertir una muestra de biomasa celulósica en azúcar y luego etanol. Su grupo de laboratorio debe seleccionar una muestra de biomasa y un tratamiento de corte/molienda que crea que producirá etanol de manera efectiva. Su grupo preparará tanto un tratamiento experimental como otro de control para evaluar los efectos de la enzima en la producción de azúcar y etanol.
Figura 2: Muestras experimentales y de control de biomasa
Muestra Experimental
• Biomasa
• Corte/Rectificado
Tratamiento
• Enzima
Muestra de control
• Biomasa
• Corte/Rectificado
Tratamiento
• *Sin Enzima*
Cuadro 21.1.
Etapa de investigación en laboratorio |
Duración |
Actividades |
---|---|---|
|
1-2 días |
• Desarrollar plan de investigación • Elija el tipo de biomasa y/o opciones de pretratamiento (corte o molienda) |
|
1 día |
• Configurar experimento • Cortar, moler y/o hervir biomasa • Medir los niveles iniciales de azúcar |
|
1 día |
• Agregar enzimas celulasas • Mida los niveles de azúcar (después de 24 horas) |
|
1 día |
• Medir los niveles iniciales de etanol • Agregar levadura • Medir los niveles finales de etanol (después de 24 horas) |
|
1-2 días |
• Graficar resultados finales • Resumir conclusiones y comunicar hallazgos a clase • Redactar los resultados finales con base en evidencias de sus otros resultados de grupo de laboratorio |
Diseño Experimental y Planeación
En su grupo, discuta y decida qué opciones de biomasa y molienda serán las mejores para producir etanol. Según lo instruido por tu profesor, escribe por qué crees que producirá la mayor cantidad de etanol. Esté preparado para explicar lo que cree que sucederá en este experimento y determine qué evidencia utilizará para determinar si su predicción fue precisa.
El objetivo de este laboratorio es producir la mayor cantidad de etanol posible a partir de 1 gramo de biomasa mezclada con 25 mL de agua. Basado en las opciones proporcionadas por tu profesor, trabaja con tu grupo de laboratorio para decidir qué tipo de biomasa y opción de molienda te gustaría convertir en etanol. Responde las preguntas a continuación y prepárate para compartir tus respuestas con la clase.
- ¿Qué biomasa elegiste? Explique por qué.
- Si corresponde, ¿qué opción de molienda eligió? Explique por qué.
- ¿Qué evidencia obtendrá de este experimento para determinar si su biomasa se convierte efectivamente en etanol?
- ¿En qué etapa del laboratorio (pretratamiento, digestión enzimática, fermentación) y en qué tratamiento (control o experimental) esperas medir los niveles más altos de glucosa? Explique.
- ¿En qué etapa (pretratamiento, digestión enzimática, fermentación) y en qué tratamiento (control o experimental) esperas medir los niveles más altos de etanol? Explique.
Materiales
|
4/clase |
|
4/clase |
|
2/grupo |
|
1/grupo |
|
~10/grupo |
|
1 hoja/grupo |
|
~50 gramos de cada |
|
1/grupo |
|
1/grupo |
|
4/clase |
|
~ 1/grupo |
|
1/grupo |
|
1/grupo |
|
1/grupo |
|
1/grupo |
|
1/grupo |
|
1/grupo |
|
1/clase |
|
~10ml/Clase |
|
1/2 tsp/grupo |
|
1/grupo |
Seguridad
- Se deben usar todas las precauciones de seguridad y vestimenta necesarias para un laboratorio de ciencias, incluidas las gafas de seguridad. Por favor refiérase a las instrucciones de su profesor.
- Lávese bien las manos con jabón después de completar el laboratorio.
Parte II: El experimento
Procedimiento
PASO 1: Preparación y pretratamiento de la muestra
GOL
Romper las paredes celulares de la planta para liberar las fibras de celulosa
- Etiquete dos tubos cónicos y tapas de 50 ml con las iniciales de su equipo, la fecha y la descripción de la muestra (fuente de biomasa y cualquier pretratamiento)
- Las etiquetas en la Figura 3. son ejemplos. Cada grupo tendrá 2 configuraciones de tubos con la misma biomasa.
- Si se requiere algún pretratamiento, hágalo (corte, molienda, secado, etc.).
- Mida 1.0 gramo de sus muestras de biomasa y coloque el 1.0 gramo en el tubo halcón de 50 mL correspondiente.
- Pruebe la concentración inicial de glucosa usando el monitor de prueba de glucosa en sangre y tiras reactivas, registre estos datos. Describir la biomasa (por ejemplo: Apariencia, olor).
- Pruebe la concentración inicial de etanol usando las sondas de etanol; registre estos datos. Describir la biomasa (por ejemplo: Apariencia, olor).
Figura 3: Etiquetas de ejemplo y diagrama de preparación de muestras.
Pretratamiento de agua caliente
- Comience el plato caliente para llevar aproximadamente 400 ml de agua a ebullición suave en un vaso de precipitados de vidrio de 500 ml. Use agua precalentada para llenar su vaso de precipitados.
- Configura un soporte de tubo cónico (es decir, una pantalla de alambre de pollo o aluminio) para tu vaso de precipitados de 500 ml según las indicaciones de tu profesor. Si se está asociando con otro grupo, puede empacar 4 tubos en un vaso de precipitados sin necesidad de configurar un soporte.
Figura 4: Cómo configurar la placa calefactora y los tubos.
- Agrega 25 ml de agua destilada a los tres tubos cónicos de 50 ml etiquetados.
- Remolino para mezclar la biomasa y el agua. Déjalo reposar por 1 minuto.
- Atornille sin apretar la tapa en el tubo cónico; NO apriete completamente.
Figura 5: Contenido del tubo halcón (cónico).
- Espere a que el agua en su vaso de precipitados hierva suavemente en su plato caliente.
- Empuje suavemente sus dos muestras de tubo cónico en el vaso de precipitados a través del papel de aluminio o la pantalla de alambre. Si está utilizando el método de 4 tubos, empaque los 4 tubos en el vaso de precipitados de 500 ml. Asegúrese de que las muestras de biomasa y el líquido estén completamente sumergidos debajo de la superficie del agua hirviendo en el vaso de precipitados.
- Deja los tubos en el agua durante 10 a 25 minutos dependiendo del tiempo que tengas. Cuanto más largo sea el periodo de tiempo, mayor será el rendimiento potencial de etanol.
- Apague la placa caliente y retire sus muestras. Dejar que se enfríen a temperatura ambiente. Consejo de laboratorio: Use un baño de agua fría para hacer que los tubos se enfríen más rápidamente.
- Pruebe la concentración de glucosa usando el monitor de prueba de glucosa en sangre y tiras reactivas; registre estos datos. Describir cualquier cambio detectable en la biomasa (por ejemplo: Apariencia, olor).
- Pruebe la concentración de etanol usando las sondas de etanol; registre estos datos. Describir cualquier cambio detectable en la biomasa (por ejemplo: Apariencia, olor).
- Si las muestras no serán utilizadas en los próximos 2 días, refrigere o congélelas inmediatamente. Este
suprimirá el crecimiento microbiano.
Paso 2: Digestión enzimática (hidrólisis)
GOL
Digerir las fibras de celulosa en glucosa (azúcar)
- Retirar las muestras del refrigerador o congelador y llevar a temperatura ambiente.
- Asegúrese de que el baño de agua común o la incubadora esté a 50°C.
- Agregue 1.0 mL de producto de enzima celulasa Celluclast™ a cada tubo de ensayo que esté siendo sometido a hidrólisis. Al control no se le agregará ninguna enzima.
- Enrosque firmemente los tapones. Mezclar suavemente.
- Coloque ambos tubos cónicos en un baño de agua común o incubadora a 50°C.
- Dejar los tubos en el baño de agua durante 24 horas.
- Después de la recolección de datos de hidrólisis de 24 horas: Use el monitor de prueba de glucosa en sangre y las tiras reactivas para probar la concentración de glucosa posenzimática de Registrar estos datos. Describir cualquier cambio detectable en la biomasa (por ejemplo: Apariencia, olor).
- Pruebe la concentración de etanol usando las sondas de etanol. Registrar estos datos. Describir cualquier cambio detectable en la biomasa (por ejemplo: Apariencia, olor).
NOTA: Para lecturas de etanol más precisas, permita que las muestras alcancen la temperatura ambiente antes de tomar medidas.
- Si la fermentación no comienza en esta etapa, congele o refrigere las muestras para evitar la contaminación microbiana.
Paso 3: Fermentación
GOL
Convertir glucosa (azúcar) en etanol (combustible)
- Asegúrese de que el baño de agua común o incubadora esté a 37 °C.
- Agrega ¼ de cucharadita o 1.0 gramo de levadura activa a cada tubo. Estas medidas son aproximadamente equivalentes.
- Mezclar suavemente en la levadura. La levadura crecerá más rápidamente si se mezcla uniformemente.
- Atornille sin apretar la tapa a los tubos. Es importante que los tubos no sean herméticos para la fermentación. La levadura producirá CO2 y acumulará presión en el tubo a menos que se permita que el gas escape.
- Colocar los tubos cónicos en posición vertical en el baño de agua a 37°C o incubadora. Use una rejilla para tubos de ensayo o un aparato similar (alambre de pollo) para mantener los tubos en posición vertical.
OPCIONAL: Después de 30 minutos medir la concentración de etanol y glucosa, registrar datos y otras observaciones sobre los cambios que ocurren en los tubos.
- Devuelva sus tubos al baño de agua común a 37°C o incubadora durante 24 horas de fermentación.
- Después de 24 horas, retire sus tubos del baño de agua a 37°C.
NOTA: Si la medición de 24 horas no se ajusta al horario de clases, el instructor puede sacar muestras del baño de agua y refrigerar o congelar hasta que se puedan tomar las medidas finales.
- Tomar lecturas finales de glucosa: Use el monitor de prueba de glucosa en sangre y las tiras reactivas para probar la concentración de glucosa post-enzima de la muestra. Registrar estos datos. Describir cualquier cambio detectable en la biomasa (¿apariencia, olor?).
- Toma las lecturas finales de etanol. Pruebe la concentración de etanol usando las sondas de etanol.
- Registrar estos datos. Describir cualquier cambio detectable en la biomasa (Apariencia, olor). NOTA: Para lecturas de etanol más precisas, permita que las muestras alcancen la temperatura ambiente antes de tomar medidas.
- Limpie los tubos y el área del laboratorio según las instrucciones de su profesor.
ANÁLISIS DE DATOS
Para organizar y sacar conclusiones de tus datos, es útil comparar los cambios en los niveles de glucosa y etanol a lo largo del tiempo usando gráficos de barras. Usando un programa de computadora como Microsoft Excel (o a mano), cree dos gráficos de barras para resumir sus resultados (Gráficos 21.1-2). Los gráficos vacíos a continuación pueden servir de guía (el tamaño completo está disponible en la página 21-9).
Discuta las gráficas con su grupo de laboratorio:
- ¿Estos resultados coinciden con tu predicción inicial? ¿Por qué o por qué no?
- ¿Cómo explicas tus resultados? Resume y comunica los resultados según las instrucciones de tu instructor.
Gráfica 21.1. 
Gráfica 21.2. 
RESULTADOS
Utilice sus gráficos y datos de cuaderno de laboratorio para responder a estas preguntas sobre los resultados de este experimento. Esté preparado para compartir sus respuestas con la clase.
- ¿Observó algún cambio en los niveles de glucosa y etanol después de la etapa de digestión enzimática (hidrólisis)? Explique por qué o por qué no.
- ¿De dónde viene la glucosa en este experimento?
- ¿Observó algún cambio en los niveles de glucosa y etanol después de la fermentación? Explique.
- ¿Por qué crees que los niveles de glucosa subieron y luego bajaron en el transcurso de este experimento?
- ¿Tus resultados observados coincidieron con lo que esperabas que sucediera? Explique por qué o por qué no.
CONCLUSIÓN
Comparte tus resultados y conclusiones iniciales con la clase. Aprende de los resultados y observaciones de tus compañeros de clase para que puedas determinar cuáles podrían ser las formas más efectivas de convertir la biomasa en etanol.
PREGUNTAS DE ESTUDIO
- De todas las muestras probadas en tu clase, ¿qué tratamiento de biomasa produjo más glucosa y etanol? Explica por qué crees que este tratamiento fue más efectivo.
- De todas las muestras probadas en su clase, ¿qué tratamiento de biomasa produjo menos glucosa y etanol? Explica por qué crees que este tratamiento fue menos efectivo.
- Si volvieras a probar este experimento para producir más etanol, ¿qué harías de otra manera? Explique por qué.
- Explique cómo diseñaría un experimento para determinar si el pretratamiento de ebullición tuvo un efecto en la cantidad de glucosa y etanol que se produce.
Este material se basa en trabajos apoyados en parte por el Great Lakes Bioenergy Research Center, Departamento de Energía de Estados Unidos, Oficina de Ciencia, Oficina de Investigación Biológica y Ambiental bajo los números de Premio DE-SC0018409 y DE-FC02-07ER64494 y tiene licencia CC-BY-NC-SA. Actividad original, CB2E: Conversión de Biomasa Celulósica en E